Исследовательская работа на тему "Дисперсия света"

Бюджетное профессиональное образовательное учреждение  Вологодской области  «Череповецкий химико­технологический колледж» ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ ДИСПЕРСИЯ СВЕТА Автор работы: Специальность: Группа: Курс: Дисциплина: Беляков Павел Дмитриевич 18.02.03 Химическая технология неорганических  веществ 31/2017 Первый Физика Руководитель проекта: Оценка за защиту проекта: (подпись) / Балдычева О. А.  / (Фамилия И.О.) / Некрасова А. И. /                                  (дата) (подпись) (Фамилия И.О.) 5 Череповец, 2018 СОДЕРЖАНИЕ Природа света Понятие дисперсии История открытия дисперсии света Применение дисперсии света Наблюдение явления дисперсии света Введение 1. 2. 3. 4. 5. Заключение Список литературы 3 4 5 7 8 10 13 14 2 ВВЕДЕНИЕ Мы выбрали эту тему, потому что при её изучении на уроках физики, данная тема привлекла моё внимание, и я захотел узнать больше информации о ней. Окружающий   мир   наполнен   миллионами   разнообразных   оттенков. Благодаря   свойствам   света   каждый   предмет   и   объект   вокруг   нас   имеет определенный цвет, воспринимаемый человеческим зрением. Изучение световых волн и их характеристик позволило людям глубже взглянуть на природу света и явления, связанные с ним.   Цель  работы:  изучить явление дисперсии света, провести опыты по её получению. Задачи: 1. Изучить и систематизировать информацию по теме. 2. Пронаблюдать дисперсию света. 3. Подготовить презентацию «Дисперсия света». Материал для работы: Интернет­источники, учебник по физике 10 — 11 класса. Методы   работы   над   проектом:   Изучение   и   обобщение   полученной информации, оформление презентации. Объект: Дисперсия света. Предмет: Наблюдение дисперсии света. Практическая   значимость   работы   заключается   в   том,   что   данный материал может пригодиться учащимся при изучении данной темы. Результат (продукт): 1. 2. Проведение опытов по наблюдению дисперсии света; Презентация «Дисперсия света». 3 1. ПРИРОДА СВЕТА С   физической   точки   зрения   свет   представляет   собой   сочетание электромагнитных   волн   с  разными   значениями   длины   и   частоты   волны.  Глаз человека   воспринимает   не   любое   излучение,  а  только   волны,  длина   которых колеблется   от   380   до   760   нм.   Остальные   разновидности   остаются   для   нас невидимыми. К ним, например, относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.   Знаменитый   ученый   Исаак   Ньютон   представлял   свет   как направленный поток мелких частиц. И лишь позже было доказано, что он по своей природе является волной. Однако Ньютон все же был отчасти прав. Дело в том,   что   свет   обладает   не   только   волновыми,   но   и   корпускулярными свойствами.   Это   подтверждается   всем   известным   явлением   фотоэффекта. Выходит, что световой поток имеет двойственную природу [2, 435]. Белый свет, доступный для человеческого зрения, — это совокупность нескольких волн, любая из которых характеризуется определенной частотой и собственной энергией фотонов. В соответствии с этим его можно разложить на волны   разного   цвета.   Каждая   из   них   носит   название   монохроматической,   а определенному   цвету   соответствует   свой   диапазон   длины,   частоты   волн   и энергии   фотонов.   Другими   словами,   энергия,   излучаемая   веществом   (или поглощаемая), распределяется по вышеназванным показателям. Это объясняет существование   светового   спектра.   Например,   зеленый   цвет   спектра соответствует   частоте,   находящейся   в   диапазоне   от   530   до   600   ТГц,   а фиолетовый — от 680 до 790 ТГц [1, 264].  4 2. ПОНЯТИЕ ДИСПЕРСИИ Каждый   из   нас   хотя   бы   раз   наблюдал   на   небе   радугу   после   дождя, которая образуется благодаря рассеиванию солнечных лучей при прохождении их через многочисленные капли дождя. Наблюдать ее можно благодаря такому явлению, как дисперсия света.  Из   анализа   литературы   мы   установили,   что   дисперсия   света  —   это совокупность   явлений,   обусловленных   зависимостью   абсолютного показателя преломления вещества   от частоты (или длины   волны)   света   (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от   частоты   (или   длины   волны).   Экспериментально   явление   открыто И. Ньютоном в 1672 году, хотя теоретически объяснено значительно позднее. Пространственной   дисперсией   называется   зависимость тензора диэлектрической   проницаемости среды   от волнового   вектора.   Такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации. Дисперсия света выражается следующим равенством: n = ƒ ( ), где  — частота, а ƒ — длина волны. Показатель n — показатель преломления,  ƛ ƛ преломления увеличивается с ростом частоты и уменьшением длины волны.  Основные закономерности дисперсии света: При   прохождении   через   стеклянную   треугольную   призму,   белый   свет разлагается на монохроматические лучи: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый — спектр.   Последовательность цветов в спектре легко   запоминается   с   помощью   фраз:   «Каждый   Охотник   Желает   Знать   Где Сидит Фазан»   (Рисунок 1)  или «Как Однажды Жак ­ Звонарь Головою Сбил Фонарь». Ньютон первоначально различал только пять цветов. Стремясь создать соответствие   между   числом   цветов   спектра   и   числом   основных   тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил к 5 цветам спектра еще два. (7 чудес света, 7 дней недели, на 7 небе).          5 Рисунок 1 — Последовательность цветов в спектре Сильнее всего преломляются фиолетовые лучи, меньше всего — красные, так как в вакууме все лучи имеют одинаковую скорость (с = 3 ⋅108 м/с), а в среде лучи   красного   цвета   имеют   максимальную   скорость,   фиолетового   — минимальную. Поэтому на светофоре сигнал «СТОП», и любые другие сигналы опасности выбраны именно красного цвета. Теперь   нам   известно,   что   разложение   света   на   цветовой   спектр происходит вследствие различной скорости прохождения волн с разной длиной и частотой сквозь прозрачное вещество. В результате одни волны выходят из призмы раньше, другие — чуть позже, третьи — еще позже и так далее. Так и происходит разложение светового потока. Монохроматические лучи, направленные на призму, испытывают только преломление (т. е. являются простыми); Монохроматические лучи, сведённые вместе, дают белый свет. 6 3. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ДИСПЕРСИИ СВЕТА Научный   интерес   к   свойствам   света   появился   еще   до   нашей   эры. Знаменитый Аристотель уже тогда заметил, что солнечный свет может иметь разные оттенки. Ученый утверждал, что характер цвета зависит от «количества темноты»,   присутствующей   в   белом   свете.   Если   ее   много,   то   возникает фиолетовый цвет, а если мало, то красный. Великий мыслитель также говорил о том, что основным цветом световых лучей является белый.  Аристотелевскую теорию взаимодействия темноты и света не опровергли и ученые 16­17 веков. Так чешский исследователь Марци, и английский физик Хариот независимо друг от друга проводили опыты с призмой и были твердо уверены   в   том,   что   причиной   появления   разных   оттенков   спектра   является именно смешивание светового потока с темнотой при прохождении его через призму. На первый взгляд, выводы ученых можно было назвать логичными. Но их эксперименты были достаточно поверхностными, и они не смогли подкрепить их   дополнительными   исследованиями.   Достаточно   детально   разложение светового потока на цветовой спектр при прохождении через призму изучил в свое   время   Исаак   Ньютон.   Результатом   его   исследований   стало   открытие явления дисперсии в 1672 году. Благодаря пытливому уму этого выдающегося ученого было доказано, что белый свет не является основным, и что остальные цвета возникают вовсе не в результате взаимодействия света и темноты в разных соотношениях. Ньютон опроверг эти убеждения и показал, что белый свет является составным по своей структуре,   его   образуют   все   цвета   светового   спектра,   называемые монохроматическими. В результате прохождения светового пучка через призму разнообразие цветов образуется из­за разложения белого света на составляющие его волновые потоки. Такие волны с разной частотой и длиной преломляются в среде по­разному, образуя определенный цвет. Ньютон поставил опыты, которые до сих пор используются в физике. Например, эксперименты со скрещенными 7 призмами, с использованием двух призм и зеркала, а также пропускание света через призмы и перфорированный экран.   Работа И. Ньютона по дисперсии света считается одной из важнейших его заслуг. Недаром на его надгробном памятнике, поставленном в 1731 году, есть слова: «Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства, чего ранее никто не подозревал»… В дальнейшем ученые­физики позапрошлого столетия сделали очередное открытие, касающееся дисперсии. Француз Леру обнаружил, что в некоторых средах   (в   частности,   в   парах   йода)   зависимость,   выражающая   явление дисперсии, нарушается. За изучение этого вопроса взялся живший в Германии физик   Кундт.   Для   своего   исследования   он   позаимствовал   один   из   методов Ньютона,  а   именно   опыт   с  использованием   двух   скрещенных   призм.  Разница состояла лишь в том, что вместо одной из них Кундт применял призматический сосуд   с   раствором   цианина.   Оказалось,   что   показатель   преломления   при прохождении света через такие призмы увеличивается, а не уменьшается, как это происходило в экспериментах Ньютона с обычными призмами. Немецкий ученый выяснил, что этот парадокс наблюдается вследствие такого явления, как поглощение света веществом. В описанном опыте Кундта поглощающей средой выступал раствор цианина, а дисперсия света для таких случаев была названа аномальной. В современной физике такой термин практически не используют [5].  На сегодняшний день открытую Ньютоном нормальную и обнаруженную позже аномальную дисперсию рассматривают как два явления, относящихся к одному учению и имеющих общую природу.  Дисперсия   света   позволила   впервые   вполне   убедительно   показать составную природу белого света [6]. 8 4. ПРИМЕНЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА Рассмотрим основные применения дисперсии света: Красный закат — один из результатов  разложения света  в атмосфере Земли. Причиной этого явления является зависимость показателя преломления газов, составляющих земную атмосферу, от длины волны света. Радуга, чьи цвета обусловлены дисперсией, — один из ключевых образов культуры и искусства. Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметах или материалах. В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто   при   прохождении   света   через   почти   любые   прозрачные   предметы.   В искусстве они могут специально усиливаться и/или подчеркиваться. Разложение света в спектр (вследствие дисперсии) при преломлении в призме —   довольно   распространенная   тема   в   изобразительном   искусстве. Например,   на   обложке   альбома The   Dark   Side   of   the   Moon группы Pink Floyd изображено преломление света в призме с разложением в спектр.  Спектральные   аппараты.   Прибор   для   разложения   сложного   света   и   а   прибор   для наблюдения   спектров   называется   спектроскопом, фотографирования спектров ­ спектрографом. Действие приборов основано на явлении   дисперсии   при   преломлении   в   призме.   С   помощью   спектра   можно, определить температуру, химический состав, размеры звезд. Без «спектра» не может обойтись ни физик, ни химик, ни криминалист, ни астроном [3,49].  Спектральные   аппараты   применяются   для   контроля   качества   на производстве,   определения   тяжелых   металлов   в   почвах,   осадках,   воде, аэрозолях;   измерения   концентрации   ценных   металлов   в   ювелирной промышленности. 9 А   вот   в   фототехнике   дисперсия   света   считается   нежелательным явлением. Она становится причиной так называемой хроматической аберрации, при   которой   на   изображениях   появляется   искажение   цветов.   Оттенки фотографии   при   этом   не   соответствуют   оттенкам   снимаемого   объекта. Особенно   неприятным   такой   эффект   становится   для   фотографов­ профессионалов.   Из­за   дисперсии   на   фотоснимках   не   только   происходит искажение цветов, но и нередко наблюдается размытие краев или, наоборот, появление чересчур очерченной каймы. Мировые производители фототехники справляются   с   последствиями   такого   оптического   явления   с   помощью специально   разработанных   низкодисперсных   линз.   Стекло,   из   которого   они производятся, обладает великолепным свойством одинаково преломлять волны с разными значениями длины и частоты. Объективы, в которых устанавливаются низкодисперсные линзы, называются ахроматами [4, 128].  10 5. НАБЛЮДЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ СВЕТА Для наблюдения дисперсии света, мы провели эксперимент, подобный опыту Ньютона. Опишем основные этапы его выполнения (Рисунок 2). Для   наблюдения   дисперсии   света   необходимо   взять   белый   экран, источник света и поместить между ними стеклянную призму. В результате на экране появиться радужная полоска – спектр. Он не имеет резких границ, а цвета переходят один в другой постепенно.  Рисунок 2 — Дисперсия света в призме Также мы провели опыт по наблюдению сложения спектральных цветов. Для его выполнения мы вырезали из картона круг и разделите его радиусами на семь примерно равных частей. Закрасьте каждую часть одним из семи цветов спектра  —  красным,   оранжевым,   жёлтым,   зелёным,   голубым,   синим   и фиолетовым.  Далее   сделали   в   круге   одно   небольшое   отверстие   (Рисунок   3). После надели данный круг на маленький мотор (Рисунок 4) и включили его, далее наблюдали за тем как постепенно цвета смешиваются в один — белый (Рисунок 5).  11 Рисунок 3 — Картонный семицветный круг Рисунок 4 — Система вращения цветного круга 12 Рисунок 5 — Сложение цветов ЗАКЛЮЧЕНИЕ В   ходе   исследования   на   основе   систематизации   теоретического материала и обобщения выводов из проделанных экспериментов мы: — познакомились с понятием дисперсии света и узнали о его истории и  применении; —   проанализировали информацию о дисперсии света и выяснили, что она применяется в разных сферах деятельности; —   с   помощью   экспериментов   исследовали   явление   дисперсии   света, получаемое в обычных условиях, и убедились в том, что ее можно наблюдать в ходе выполнения несложных опытов. Таким   образом,   в   процессе   исследования   цель   работы   достигнута, поставленные задачи решены. Данная работа будет полезна обучающимся по физике при изучении темы «Дисперсия света». 13 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1.  Большая   советская   энциклопедия.   —  М.:   Советская   энциклопедия 1969— 1978 г. — 631 с. 2. Выслоух В. А. Дисперсия света //: [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Физическая энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — 707 с. 3. Тарасов К. И Спектральные приборы. — Изд­во «Машиностроение» 1968 г. — 138 с. 4. Яштолд­Говорко, В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. — Изд. 4­е, сокр. — М.: Искусство, 1977 г. — 343 с. 5.   Дисперсия   света:   история   открытия   и   описание   явления.   [Электронный Ресурс].   —   Режим   доступа:   https://www.syl.ru/article/150104/mod_dispersiya­ sveta­istoriya­otkryitiya­i­opisanie­yavleniya  6.   Дисперсия   света.   Спектр.   [Электронный   Ресурс].   —   Режим   доступа: http://ency.info/materiya­i­dvigenie/fotometriya/379­dispersiya­sveta­spektr 14